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先进建模和控制方法在电子控制器上的应用

发布日期:2020-05-23

GRCC汽车电子电气架构创新发展论坛

2020-05-23 15:46:14

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先进建模和控制方法概述


为降低汽车能耗、满足日益严苛的燃油车污染物排放限值等法规要求,联合电子探索了先进建模和控制方法在控制器中的应用,挖掘控制器应用软件助力车辆节能、减排以及提升驾驶性的潜力。被控系统的目标跟随和研究对象的状态描述是电控系统应用软件要解决的两类主要问题。如图1所示,根据系统的输入、输出和状态建立系统的数学模型,是对控制系统进行分析和综合的前提。依据不同被控对象的特征,我们引入了基于物理模型的控制方法来解决目标跟随问题;引入人工智能— 机器学习算法建立的数据模型来解决复杂研究对象的状态描述问题。


图1 被控系统示意图


1. 基于物理模型的控制方法

 

联合电子将基于模型的控制、自适应控制等方法创新地应用到控制器中。基本思想是在对系统的物理过程和背景深刻理解的基础上,建立精确的物理模型,反映系统内部结构和内部信息,同时满足控制器软件的实时性要求;再根据模型来设计控制功能及其相关参数,实现控制目标的跟随。

图2所示为自适应控制系统的示意图,系统在反馈控制的基本回路上加入了自适应控制回路。自适应控制回路根据模型与实际系统的偏差,进行模型参数的在线辨识和估计,根据辨识得到的模型参数实时修正控制器参数,有意识地以**的控制参数改变控制量,克服零部件制造安装散差和老化偏差等过程参数变化,以及其他干扰因素对输出的影响。


图2 自适应控制系统


图3所示为自适应控制在电机执行器的位置控制上的应用,图中所示包括正常执行器以及特性参数处于极限偏差状态的执行器,其中图3(a)和图3(b)分别为常规PID控制方法和自适应控制方法对于不同执行器的控制效果。相比于常规PID控制,自适应控制对于极限偏差状态的零部件依然能够实现较好的位置跟随,能够克服零部件的偏差导致的实际位置超调或震荡,避免系统趋向于不稳定。基于模型的控制、自适应控制的效果优于目前大量工程应用的偏差反馈的PID控制,增强了控制的鲁棒性,提高了控制精度和系统的响应速度。


(a)   常规PID控制

(b)   自适应控制

图3 电机执行器位置的控制效果


以发动机控制系统 (EMS)为例,基于物理模型的控制方法在以下功能上的应用,相比于传统方法,能够带来更好的功能收益:


  • 电机执行器的自适应控制功能 — 应用在电子节气门、电动废气阀、EGR阀等执行器上,能够提高位置控制的精度

  • 空燃比闭环的自适应控制功能 — 提升空燃比控制精度,降低排放

  • 基于模型的催化器控制功能 — 优化催化器转化效率,降低排放


2. 基于人工智能 — 机器学习算法的数据建模

 

对于物理关系复杂的研究对象,建立物理模型非常困难,但系统的外部影响因素清晰时,可以根据试验采集到的数据建立描述系统输入输出关系的“黑箱”模型。MCU芯片性能提升等硬件技术为复杂的人工智能算法应用奠定了基础。联合电子利用人工智能的机器学习算法,通过对试验数据的训练,来建立高精度多维数据模型,在控制器产品强大的MCU芯片支持下实现机器学习算法和数据模型的运行,以“虚拟传感器”的方式来描述系统的输出,适应日益复杂的系统配置。其实现过程如图4所示。



图4 数据模型在控制器上的实现


相比于传统的查表/MAP方式实现的模型,人工智能算法的数据模型可以完整考虑系统的所有影响因素,准确拟合输入输出之间的复杂数学关系,提高模型精度,改善系统的性能。图5所示为传统查表/MAP方式和利用人工智能算法建立的数据模型对于发动机扭矩的建模效果对比,结合人工智能算法的数据模型能够显著减小模型值与实际值的偏差,提高扭矩模型的精度。



图5 查表与数据模型的精度对比


以发动机控制器为例,人工智能算法的数据建模方法对模型精度的提升,同样能够带来相应功能收益:


  • 扭矩模型 — 提高扭矩计算的精度

  • 发动机Soot排放模型 — 有助于GPF再生的精确控制

  • 点火角模型 — 能够降低发动机油耗


3. 先进建模和控制方法的应用优势

 

降低软件和标定复杂度


先进建模和控制方法能够降低软件和标定的复杂度,提升开发效率。图6所示为电子控制器ECU各功能模块的软件和标定复杂度的量化指标,图中各矩形色块的面积大小代表各个模块的代码行数或标定量数量,矩形色块的不同颜色代表复杂度高低:红色代表复杂度高,绿色代表复杂度低。应用上述先进建模和控制方法后,基于物理模型或数据模型实现的功能使得软件架构和各模块组件间的关系更加清晰简洁,代码行数减少,软件复杂度及软件维护成本降低。基于物理模型的控制对于系统特性和过程参数变化的自适应能力,减少了功能实现对标定的依赖;数据建模方法对标定MAP/Curve的替代,也减少了标定量数量,使得标定工作量和复杂度降低。

图6 先进建模和控制方法降低软件和标定的复杂度


系统和功能收益


先进建模和控制方法所能带来的系统和功能收益,是其应用于控制器中最重要的优势和驱动力。联合电子也通过理论和实践证明了上述方法应用于不同功能中能够为客户带来提高能量利用效率、降低尾气排放等收益。联合电子将持续探索应用基于物理模型的控制、人工智能算法的数据建模等方法,在不同的控制器产品中,开发更高品质的应用软件,来满足系统对于控制精度和效果日益提升的要求。



文章摘自:公众号 “联合电子”




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